CN104646833B - 一种金属基底梯度润湿表面的激光制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属基底梯度润湿表面的激光制备方法，包括如下步骤：(1)清洗金属基板，得到干净的金属基板。(2)通过激光刻蚀的方法在金属基板上扫描出一系列间隔不同的纵横交错式微结构，在金属基板上制备出超亲水表面。(3)通过将超亲水表面的一部分置于水中72小时便能在金属基底中制备出梯度润湿表面。制备出的梯度润湿表面其接触角能在160°～5°范围内呈连续梯度变化。该方法仅通过激光刻蚀的方法便能获得表面微结构和表面分子活性同时沿梯度方向发生变化的梯度润湿表面，对简化梯度润湿表面的制备流程和增强梯度润湿表面的性能都起到重要的作用。其制备过程无需使用其他化学试剂，简单方便，安全环保。

Description

一种金属基底梯度润湿表面的激光制备方法
技术领域
本发明涉及功能材料领域及其激光制备方法，特别是涉及一种金属基底梯度润湿表面的激光制备方法。
背景技术
梯度润湿性功能材料是一种通过表面化学组分和表面形貌结构连续变化达到表面物理和化学性能沿平行于表面方向连续变化的材料。在对水的润湿性能发生梯度变化的材料表面上，水在梯度方向受到的表面张力不相等，导致水存在由低表面能处向高表面能处自动流动的趋势和能力。因而梯度润湿表面在生物相容性、诊断学、纳米摩擦学、微流体、液体自运输等领域得到广泛的应用，尤其在液滴和微流体移(流)动以及强化气相滴状凝结换热过程和微热管散热性能方面有重要的应用。
目前，梯度润湿表面的制备方式主要分为控制表面化学组成和改变表面微观形貌两种，通过气相沉积、化学修饰法以及光照法等能够使表面的分子活性发生梯度变化，从而形成梯度表面。但仅通过改变表面化学组成制备出的梯度结构耐热性不佳，在加热的情况下梯度结构将会失效。而通过改变表面微观形貌制备出的梯度润湿结构由于其微结构受温度的影响不大，因而在加热的条件下仍能保持良好的梯度润湿性能，故改变表面微观形貌的方法更适用于如微热管等在高温条件下工作的梯度润湿表面的制备。通过改变表面微观形貌的方法主要有聚合物熔融法、离子聚合法和激光刻蚀法。使用聚合物熔融法制备的梯度表面在高温的工作条件下耐久性较差，而且跟离子聚合法一样，梯度表面上润湿性能的分布不能随意调配，这对梯度表面性能的优化起到一定的限制。再有，仅仅通过改变微观形貌的方法制备的梯度润湿表面，其表面润湿性能(接触角)的变化范围较小，则其由表面润湿性能梯度提供的驱动力不明显。
基于激光加工技术的优越性，本发明提出使用激光对金属基板进行刻蚀的方法制备金属基底的梯度润湿表面，其原理为使用激光刻蚀的方法改变金属表面的微结构，在同一金属表面中制备出不同的微结构，基于Wenzel模型改变表面的粗糙度的分布实现对表面润湿性能的调控；另一方面，在使用激光制备表面微结构的同时，通过激光高能束的辐照作用能使金属表面发生氧化，改变金属表面分子活性，通过改变激光刻蚀沟槽的疏密实现对表面氧化物占金属表面的百分比的控制，从而通实现对表面润湿性能的调控。另外控制激光加工过后的表面与水浸泡的时间也能控制其表面的润湿性能，以金属铜为例，通过激光辐照后通表面会生成亲水氧化物CuO(CA＝20°)，该氧化物与空气接触后会转化为疏水氧化物Cu2O(CA＝100°)，在其他金属中能观测到类似的现象，因而使用控制基板与水浸泡的时间能实现对金属表面氧化物疏水与亲水的转化，实现对金属表面润湿性能的控制。本发明通过先使用激光在金属表面刻蚀出微结构，同时改变表面的分子活性与微观形貌，再结合基板与水的浸泡，实现对金属基板上接触角跨度大(CA160°～5°)的梯度润湿表面的制备。
该方法优点在于(1)激光刻蚀的方法能适用于与大部分的金属，不存在化学修饰等方法只能一种试剂只适用于一种金属的缺点。(2)通过激光刻蚀的方法能够同时实现对表面微观结构以及表面化学组分的改变，具有加工效率高，加工表面性能优越等优点。(3)不需要使用额外的化学试剂，是一种绿色环保的加工方式。(4)通过激光制备的梯度润湿表面其表面分子活性不易改变，具有良好的耐热性和耐水性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出操作简单，安全环保，具有较高加工速率的一种金属基底梯度润湿表面的激光制备方法。
所述方法便于操作实现，可在金属基板中制备出接触角发生连续变化或阶梯变化的梯度润湿表面。得到的梯度润湿表面有良好的耐水性和耐热性。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种金属基底梯度润湿表面的激光制备方法，包括如下步骤：
(1)将金属基板先后分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中使用超声波清洗仪清洗3分钟，得到干净的金属基板。
(2)将金属基板置于激光加工装置中，将激光聚焦于金属基板表面上通过振镜X/Y方向扫描，并结合侧吹空气，在基板中刻蚀出一系列疏密不同(间隔发生连续变化)的交错沟槽或平行沟槽，得到具有润湿性能梯度的亲水表面。其最低接触角小于5°
(3)将金属基板倾斜45°并将微结构较密一端浸泡在水槽中，液面覆盖基板表面的1/3，并保持浸泡约72小时。通过控制表面与空气接触的时间获得润湿性能发生梯度变化的功能表面。
上述方法制备的梯度润湿表面其接触角变化最大范围可为160°～5°
本发明通过使用激光刻蚀的方法能够在铜、铝或不锈钢钢等金属基板表面上制备出接触角变化范围较大的梯度润湿表面，该方法仅通过激光刻蚀的方法便能获得表面微结构和表面分子活性同时沿梯度方向发生变化的梯度润湿表面，对简化梯度润湿表面的制备流程和增强梯度功能表面的性能都起到重要的作用。其制备过程无需使用其他化学试剂，简单方便，安全环保、环境友好。
附图说明
图1是金属基底梯度润湿表面的激光制备方法及装置的示意图。
图2是不同的梯度润湿表面示微结构示意图。
图3是所制备的梯度润湿表面接触角分布图。
符号说明：
1.激光器，2.振镜系统，3.聚焦场镜，4.金属基板，5激光束
具体实施方式
实施例：
本发明一种金属基底梯度润湿表面的激光制备方法，包括以下步骤：
1)将金属基板4先后分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中使用超声波清洗仪清洗3分钟，烘干后得到干净的金属基板。
2)将金属基板4置于激光加工装置工作台中，使用波长为266nm的紫外激光器，控制其脉宽为50nm，重复频率为90kHz，使激光束5从激光器1中射出通过振镜系统2实现X/Y方向的扫描，再由聚焦场镜3聚焦在金属基板表面，通过振镜系统2使聚焦光束对金属表面根据图2中的图案进行扫描，扫描速度为1000mm/s，结合侧吹空气，在基板中刻蚀出一系列如图2图案所示的间隔发生梯度变化的平行槽纵横交错网格结构，得到有润湿性能梯度的亲水表面，其最低接触角小于5°。
3)将金属基板4倾斜45°并将微结构较密一端浸泡在水槽中，液面覆盖基板表面的1/3，并保持浸泡72小时，烘干后得到金属基底的梯度润湿表面。
在上述方法制备的梯度润湿表面中使用拟合分析法运用接触角测量仪(CAS)对其中的八个区域进行测量得到接触角分别为156°、129°、98°、83°、73°、37°、5°其接触角变化最大范围可为160°～5°
特别有，步骤2)中的微结构样式可改为其他疏密不同的平行槽结构和网格结构，也可以替换为间隔不变的平行槽跟网格。
本发明实现了金属基板上梯度润湿表面的激光制备。是一种简单快捷，性能优良，方便使用，绿色环保的加工方法。

Claims (4)

1.一种金属基底梯度润湿表面的激光制备方法，其特征在于步骤如下：
将金属基板先后分别在丙酮、无水乙醇和去离子水中使用超声波清洗仪清洗，烘干得到干净的金属基板；将金属基板置于激光加工装置中，将激光聚焦于金属基板表面上通过振镜实现X/Y方向扫描，并结合侧轴吹空气，在基板中刻蚀出一系列间隔发生连续变化的交错沟槽或平行沟槽，得到具有润湿性能梯度的亲水表面，最低接触角为5°；将金属基板倾斜并将微结构较密一端浸泡在水槽中，液面覆盖基板表面约1/3，并保持浸泡，通过控制表面不同区域与空气接触的时间获得润湿性能发生梯度变化的功能表面；加工参数为激光波长256-1064nm，脉宽10-1000nm，重复频率30-100kHz，扫描速度15-1500mm/s；将通过激光刻蚀后的金属基板的一端浸泡在水中，改变其表面与空气接触的时间，控制表面的氧化程度；该金属基板可以为黄铜、紫铜、铝或不锈钢。
2.如权利要求1所述一种金属基底梯度润湿表面的激光制备方法，其特征在于：使用聚焦激光在金属表面刻蚀加工间隔发生连续变化的交错沟槽以及平行沟槽改变金属表面的粗糙度的分布和化学成分分布。
3.如权利要求1所述一种金属基底梯度润湿表面的激光制备方法，其特征在于：所述激光波长为266nm，所述脉宽为50nm，所述重复频率为90kHz，所述扫描速度为1000mm/s，扫描次数为10次。
4.如权利要求1所述一种金属基底梯度润湿表面的激光制备方法，其特征在于：所述金属基板浸泡在水中的时间为72小时。
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